ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Новая технология получения наноразмерных металлических и металлоксидных частиц для создания биологически активных и технически ценных продуктов для медицины, сельского хозяйства и критических технологий»

Рекомендуемая область пременения

Медицина:
- антиоксиданты,
- капилляро-, гастро-, гепато- и радиопротекторы,
- иммуномодуляторы, пребиотики,
- стимуляторы фагоцитарной активность макрофагов в отношении
псевдотуберкулезных микробов,
Сельское хозяйство
- ростостимулирующие препараты,
- индукторы иммунитета к грибковым заболеваниям.

Химическая промышленность:
- порошковой металлургии,
- получение наноразмерных металлсодержащих частиц

Высокие технологии:
- создания магнитных, мембранных и оптических материалов,
- получение компонентов полимерных композиций,
- получения катализаторов различных реакций.

Назначение, цели и задачи проекта

Проект относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке новой технологии получения наноразмерных металлсодержащих частиц.

Наноразмерные частицы - высокодисперсные структурные образования с размерами, параметр которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нм. Размер частиц обусловливает уникальные особенности наноразмерных материалов, которые обладают необычными термохимическими, реологическими, электрическими и оптическими свойствами. Они отличаются повышенной механической прочностью и термостабильностью, способны обеспечивать оптимальный теплоперенос. Наночастицы используют в качестве мембранных материалов, оптических и магнитных материалов, компонентов полимерных композиций, катализаторов различных реакций [Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия. 2000. 672 с.], поэтому методы синтеза и свойства нанокомпозитов интенсивно исследуются.

Осуществляют взаимодействие водного раствора природного водорастворимого полисахарида арабиногалактана с концентрацией 1-50% в качестве стабилизатора и восстановителя образующихся наноразмерных частиц с водными растворами с содержанием в них солей металла от 0,0067 до 2 ммоль в присутствии гидроксида аммония или натрия. Раствор выдерживают в течение 5-60 мин при температуре 20-90°С, фильтруют, высаживают в этиловый спирт полученный фильтрат, отделяют и высушивают осадок. При этом получают наноразмерные металлсодержащие частицы с содержанием металлов в пределах 0,1-21,0%. Обеспечивается получение стабильных водорастворимых металлсодержащих структур, увеличение времени жизни наноструктурных частиц.

Другой целью проекта является разработка новой технологии разработки лекарственных средств на основе указанных водорастворимых металлсодержащих структур, в частности соединений серебра на основе природного полисахарида арабиногалактана. Получаемые продукты  представляют собой водорастворимые частицы с размером 10-30 нм и проявляет антимикробное действие в отношении патогенных микробов Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphyllococcus aureus. Bacillus subtilis, Candida albigans.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Проект относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке новой технологии получения наноразмерных металлсодержащих частиц.

Наноразмерные частицы - высокодисперсные структурные образования с размерами, параметр которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нм. Размер частиц обусловливает уникальные особенности наноразмерных материалов, которые обладают необычными термохимическими, реологическими, электрическими и оптическими свойствами. Они отличаются повышенной механической прочностью и термостабильностью, способны обеспечивать оптимальный теплоперенос. Наночастицы используют в качестве мембранных материалов, оптических и магнитных материалов, компонентов полимерных композиций, катализаторов различных реакций [Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия. 2000. 672 с.], поэтому методы синтеза и свойства нанокомпозитов интенсивно исследуются.

Осуществляют взаимодействие водного раствора природного водорастворимого полисахарида арабиногалактана с концентрацией 1-50% в качестве стабилизатора и восстановителя образующихся наноразмерных частиц с водными растворами с содержанием в них солей металла от 0,0067 до 2 ммоль в присутствии гидроксида аммония или натрия. Раствор выдерживают в течение 5-60 мин при температуре 20-90°С, фильтруют, высаживают в этиловый спирт полученный фильтрат, отделяют и высушивают осадок. При этом получают наноразмерные металлсодержащие частицы с содержанием металлов в пределах 0,1-21,0%. Обеспечивается получение стабильных водорастворимых металлсодержащих структур, увеличение времени жизни наноструктурных частиц.

Другой целью проекта является разработка новой технологии разработки лекарственных средств на основе указанных водорастворимых металлсодержащих структур, в частности соединений серебра на основе природного полисахарида арабиногалактана. Получаемые продукты  представляют собой водорастворимые частицы с размером 10-30 нм и проявляет антимикробное действие в отношении патогенных микробов Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphyllococcus aureus. Bacillus subtilis, Candida albigans.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Задачей предлагаемого проекта является получение водорастворимых наноразмерных металлических, металлоксидных и бинарных металлоксидных частиц. Техническим результатом настоящего проекта является получение стабильных водорастворимых металлосодержащих структур, увеличение времени жизни наноструктурных частиц и возможность получения образца в порошкообразном виде.

Сущность настоящего проекта состоит в получении и стабилизации наночастиц в щелочном растворе природного полисахарида арабиногалактана, являющегося стабилизатором наноструктур. Достоинствами предлагаемого нами стабилизатора является его природное происхождение, доступность (содержание в лиственнице до 15%), абсолютная нетоксичность, довольно высокая вязкость, очень хорошая водорастворимость.

Предлагаемая технология способ отличается от ближайшего аналога тем, что получают наноразмерные металлосодержащие частицы с содержанием металлов в пределах 0,1-21,0%, при этом используют растворы солей металлов с содержанием солей металла от 0,0067 до 2 ммоль и раствор арабиногалактана с концентрацией 1-50%.

Принципиальным отличием настоящей технолгии от вышерассмотренных является использование природного полисахарида арабиногалактана одновременно в качестве реакционной дисперсионной среды и восстановителя нуль-валентных металлов. Углеводы, хотя и обладают более слабым защитным стабилизирующим действием, по сравнению, например, с белками, но имеют ряд значимых преимуществ: они не разлагаются, как белки, при повышенной температуре, в условиях повышенной кислотности среды и в органических растворителях. Полисахариды, в том числе арабиногалактан, содержат высокоактивные гидроксильные группы, придающие металлическим наночастицам водорастворимость. Этот способ может быть использован для получения наночастиц более широкого ряда металлов.

Поставленная цель достигается тем, что водные растворы индивидуальных солей металлов и их композиций в различном сочетании с содержанием от 0,0067 до 2 ммоль добавляют к водному раствору арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляют при комнатной температуре в течение 30-90 мин. После этого приливают 30%-ный гидроксид аммония или натрия до рН 10-11. Полученную смесь выдерживают при температуре 20-90°С в течение 5-60 мин и фильтруют, получая наночастицы в растворе. Выделение целевых продуктов в сухом виде проводили переосаждением фильтрата в этанол с дальнейшим отделением осадка и высушиванием. Содержание металлов в полученных нанокомпозитах, определенное методом атомно-абсорбционного анализа, в зависимости от условий реакции и типа металла варьирует в пределах 0,1-21,0%. По данным рентгенодифракционного анализа, наночастицы оксидов металлов формируются размером 16-17 нм, нуль-валентных металлов - 10-30 нм.

Следующие примеры иллюстрируют предлагаемую технологию:

Пример 1.

2,0 мл водного раствора смеси солей железа FeCl₃ и FeSO₄ в соотношении 2:1 с суммарным содержанием солей железа 0,56 ммоль добавляли к 2,0 мл водного концентрированного (50%) раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Далее проводили обработку полученной смеси 30% гидроксидом аммония до рН 11, полученную смесь нагревали до 90°С в течение 15 мин, затем фильтровали. Выделение и очистку продукта в сухом виде проводили переосаждением фильтрата в этанол в соотношении 1:4 с дальнейшим отделением осадка и высушиванием. Выход порошкообразного производного с магнитными свойствами составил 0,818 г, содержание в нем железа 3,43%.

Аналогично этому примеру были получены бинарные наноразмерные частицы ферритов, содержащих в качестве второго двухвалентного металла никель, кобальт, цинк и другие.

Пример 2.

2,0 мл водного раствора нитрата кадмия Cd(NO₃)₂·4Н₂O с содержанием соли кадмия 0,85 ммоль добавляли к 2,0 мл водного концентрированного (50%) раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Обработку полученной смеси проводили 30% гидроксидом натрия до рН 11, выделение и очистку препарата проводили так же, как описано в примере 1. Выход производного составил 0,97 г, содержание в нем кадмия 8,2%.

Аналогично этому примеру были получены наноструктурные частицы из солей свинца, кобальта, никеля, олова, родия. Содержание металлов в этих образцах варьировало от 0,1 до 5,8%.

Пример 3.

2,0 мл водного раствора нитрата серебра с содержанием 2 ммоль соли серебра добавляли к 2,0 мл водного концентрированного (50%) раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Обработку полученной смеси 30% гидроксидом натрия, выделение и очистку препарата проводили так же, как описано в примере 1. Выход полученного производного составил 0,980 г, содержание в нем серебра 19,92%.

Пример 4.

2,0 мл водного раствора нитрата серебра с содержанием 2 ммоль соли серебра добавляли к 2,0 мл водного 25%-ного раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Обработку полученной смеси 30% гидроксидом натрия, выделение и очистку препарата проводили так же, как описано в примере 1. Выход полученного производного составил 0,495 г, содержание в нем серебра 19,02%.

Пример 5.

2,0 мл водного раствора нитрата серебра с содержанием 0,0067 ммоль соли серебра добавляли к 2,0 мл водного 1% раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Далее проводили обработку полученной смеси 30% гидроксидом натрия, полученную смесь выдерживали при 20°С в течение 15 мин, затем фильтровали. Выделение и очистку препарата проводили переосаждением в этанол. Выход полученного производного составил 0,019 г, содержание в нем серебра 3,37%.

Пример 6.

5,0 мл водного раствора с содержанием 0,28 ммоль K₂PdCl₄ добавляли к 4,0 мл водного концентрированного (25%) раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Обработку полученной смеси 30% гидроксидом натрия, выделение и очистку препарата проводили так же, как описано в примере 1. Выход полученного производного составил 0,772 г, содержание в нем палладия 4,10%.

Пример 7.

5,0 мл водного раствора с содержанием 0,28 ммоль K₂PdCl ₄ добавляли к 2,0 мл водного концентрированного (50%) раствора арабиногалактана при интенсивном перемешивании и оставляли при комнатной температуре в течение 30 мин. Полученную смесь обрабатывали 30%-ным гидроксидом натрия и выдерживали при температуре 90°С в течение 15 мин и фильтровали, получая наночастицы в растворе. Выход полученного производного составил 0,802 г, содержание в нем палладия 4,20%.

Рентгенодифракционный анализ показывает на­личие в составе соединений аморфной полисахаридной фазы арабиногалактана и нанодисперсной фазы металлического серебра, подтверждая тем са­мым их композитную природу. На дифрактограммах проявляются интенсивные линии, характерные для плоскостей кристаллической фазы нульвалентного серебра с параметрами решетки а 4.050-4.080 А и металлических частиц размером 7—16 нм.

Взаимодействие арабиногалактана с Ag(I) сопро­вождается подкислением раствора и появлением окраски, цвет и интенсивность которой определя­ются начальным уровнем рН реакционной среды. В связи с этим для прямого экспериментального на­блюдения процесса образования композитов приме­няли метод электронной спектроскопии, изменяя начальное значение рН среды в интервале от 4.5 до И.О. Введение соли серебра в водный раствор ара­биногалактана при рН 4.5 приводит к появлению в электронном спектре асимметричной полосы погло­щения с широким максимумом в области X 420—470 нм слабой интенсивности, которая возрастает при увеличении продолжительности реакции (рис. 1).

Образование низкомолекулярных фрагментов с карбоксильными группами вследствие развиваю­щихся процессов деструкции арабиногалактана подтверждается методом тонкослойной хромато­графии. При проявлении хроматограмм композитов в отличие от исходного арабиногалактана зафикси­ровано наличие карбоксилсодержащих веществ вы­ше линии старта.

Таким образом, восстановление ионов серебра в водных растворах арабиногалактана сопровождает­ся образованием стабилизированных полимерной матрицей полисахарида наноразмерных частиц ме­таллического серебра, обусловливающих появление эффекта плазмонного резонанса. Полнота восстано­вительных превращений ионов серебра в растворе арабиногалактана в значительной мере определяет­ся величиной рН и природой основания. В проявле­нии восстановительных свойств арабиногалактана в растворе гидроксида натрия определяющую роль играет стадия щелочного гидролиза с образованием низ ко молекулярных редуцирующих фрагментов. Окислительное взаимодействие ионов серебра с арабиногалактаном не затрагивает первичных спир­товых групп полисахарида.

Обнаруженные закономерности процесса, зави­симость его от разнообразных факторов позволяют осуществлять эффективную стабилизацию и на­правленное регулирование размера наночастиц в диапазоне 7-16 нм.

Выявленные особенности формирования нано­частиц серебра на основе выбора оптимальных со­отношений реагентов могут представлять интерес при разработке новых антимикробных систем, а также создании материалов с управляемыми нели­нейно-оптическими свойствами.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Себестоимость металлосодержащих нанокомпозитов, получаемых по предлагаемой технологии ниже, чем при из получении без использования стабилизатора по традиционным технологиям на 25-60%.

Применение технологии обеспечивает большую стабильность наночастиц (на 30-40%) и увеличение продолжительности их жизни на 50%. 

Применение новой технологии позволяет снизить эксплуатационные расходы, исключить поставку дорогостоящих реагентов (основа получения нанокомпозитов – древесина лиственницы), что экономит от 8 до 12 млн. рублей в год.

Срок жизни получаемых наноцастиц от 20 лет и выше.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Технология позволяет получать наноразмерные металлсодержащие частицы с содержанием металлов до 20%.

Универсальность. Технология позволяет получать наночастицы как оксидов металлов, так и нуль-валентных металлов и применима к получению наноразмерных частиц широкого ряда металлов.

Экологическая безопасность. Технология проста в техническом  исполнении и не требует большого набора химических реагентов.

Кроме того, внедрение данного проекта позволяет снизить себестоимость продукции промышленных предприятий и ТЭК за счет повышения эффективности использования энергоресурсов и снижения их фактического потребления, а также уменьшения экологических платежей.

Настоящая технология может быть использована для создания магнитных, мембранных и оптических материалов, компонентов полимерных композиций, получения катализаторов различных реакций.

В таблице приведены данные о синергизме свойств наноядра и биополимерной матрицы.

Новые потребительские свойства продукции

- высокое содержание металлов в получаемых нанокомпозитах;
- высокая стабильность получаемых наночастиц;
- высокая эффективность, технологические процессы;
Последнее обеспечивается за счет снижения эксплуатационных расходов, расходов на ремонт, исключения применения дорогостоящих реагентов (экономия свыше 10 млн. руб. в год), повышенного срока службы.
- технология проста в техническом исполнении и не требует большого набора химических реагентов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

В настоящее время на основе предлагаемой технологии разработан ряд лекарственных средств и пищевых добавок:
Новые уникальные лекарственные препараты и БАДы на основе предлагаемой технологии:
Диквертин - лекарственный препарат, антиоксидант, капилляро-, гастро-, гепато- и радиопротектор.
Фибролар - новая БАД на основе полисахарида арабиногалактана. Иммуномодулятор, пребиотик, стимулирует фагоцитарную активность макрофагов в отношении псевдотуберкулезных микробов.
Лариксин – ростостимулирующий препарат, индуктор иммунитета к грибковым заболеваниям.
Пикнолар - мощный антиоксидант капилляро-, гастро- и гепатопротектор.

Предлагаемые инвестиции

25 млн. руб.

Рынки сбыта

Российская федерация: все регионы.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

27.03.2007